КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-79-10134
НазваниеИзучение горения жидких углеводородов в струе перегретого водяного пара применительно к разработке эффективных способов экологически чистой утилизации горючих отходов
Руководитель Ануфриев Игорь Сергеевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл
Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-404 - Проблемы создания энергетического оборудования
Ключевые слова многофазные турбулентные реагирующие потоки, тепломассоперенос, жидкие углеводороды, горелочные устройства, перегретый водяной пар, некондиционные топлива, теплоэнергетика, энергоэффективность, утилизация, экологическая безопасность, экспериментальные исследования, газовый анализ, термография, калориметрия, цифровая трассерная визуализация, численное моделирование
Код ГРНТИ44.31.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проблема изучения закономерностей процессов переноса при горении жидкого топлива важна для развития ряда отраслей знания, таких как механика многофазных реагирующих сред, химическая физика, энергетика. Она характеризуется междисциплинарностью и связана с чрезвычайно сложным предметом исследования, характеристики которого определяются взаимодействием разнообразных физических, химических и механических факторов. Установление закономерностей, управляющих режимами и характеристиками горения жидкого органического топлива, является актуальной проблемой не только с академической точки зрения, но и в научно-прикладном аспекте. Трудно переоценить научную значимость решения данной проблемы для развития эффективных технологий производства энергии, двигателестроения, для обеспечения технологической и экологической безопасности. Результаты фундаментальных исследований в этой области ориентированы на широкое применение в различных отраслях современной промышленности и определяют прогресс высокотехнологичных наукоемких производств, конкурентоспособность продукции на мировом рынке. В рамках теплоэнергетики в настоящее время остро стоит задача расширения топливно-сырьевой базы за счет эффективного использования низкокачественных и нетрадиционных видов органического топлива. Чрезвычайную важность приобретает задача экологически чистой утилизации накопленных запасов горючих производственных отходов (нефтешламы, отработанные масла и смазочные жидкости и др.). Решение подобных задач требует создания новых технологий и оборудования, основанных на глубоком научном понимании закономерностей физико-химических процессов, определяющих характеристики сжигания жидких углеводородов в зависимости от динамических и тепловых условий, реализуемых в конкретных горелочных устройствах.
Неслучайно 2017 год был объявлен в России годом экологии. Это означает признание наличия и осознание масштаба угрозы экологическому благополучию страны. В частности, такую угрозу представляют огромные накопленные количества опасных отходов производства и нефтепереработки. По данным Росприроднадзора, ежегодное накопление отходов от добычи углеводородов превышает 7 млн тонн. Это подчеркивает важность и актуальность исследований, направленных на создание эффективных технологий утилизации производственных отходов (в том числе – отработанного масла, смазочных жидкостей, нефтяных шламов). Значительная часть этих отходов не пригодна для регенерации, но может подвергаться сжиганию. Известные технологии сжигания не обеспечивают соответствие экологическим нормам и требуют дополнительной дорогостоящей системы очистки дымовых газов от несгоревших углеродсодержащих частиц и токсичных компонентов. Технологии утилизации этих дешевых энергоносителей с производством тепловой энергии, наряду с высокими теплотехническими показателями, должны обеспечивать экологическую безопасность. Поиск таких решений является сложной и масштабной задачей в рамках инженерных наук (и в частности – теплоэнергетики) и требует проведения всесторонних исследований на современной научной основе с применением самых передовых методов.
В рамках указанной научной проблемы конкретной задачей предлагаемого проекта является исследование основных характеристик горения жидких углеводородов (в том числе – некондиционного топлива и производственных отходов) в струе перегретого водяного пара. Применяемые в исследованиях оригинальные перспективные горелочные устройства основываются на новых принципиальных технических решениях, позволяющих за счет паровой газификации топлива в высокоскоростной струе обеспечить создание высокодиспергированного двухфазного потока, интенсивное воспламенение и полное выгорание топлива при низком производстве токсичных продуктов. Предлагаемое комплексное экспериментальное и численное исследование направлено на получение закономерностей влияния физических параметров (расход топлива, температура и расход пара, способ смесеобразования), определяющих тепломассоперенос в горелочном устройстве, на характеристики сжигания (распределение температуры в факеле, тепловая мощность, энергоэффективность, уровень эмиссии токсичных продуктов сгорания). Измерения будут проведены на основе применения современных методов калориметрии, термографии, газового анализа, цифровой трассерной визуализации. Для численного моделирования процесса сжигания жидких углеводородов в горелочном устройстве с подачей перегретого водяного пара будут применяться модель химического реагирования Eddy Dissipation Concept (EDC) и модель для частично перемешанных пламен – Flamelet Generated Manifold и Progress Variable Approach. Для моделирования турбулентных потоков будет использована модель переноса рейнольдсовых напряжений RSM (Launder-Reece and Rodi) и вихреразрешающая DES методика, основанная на k-w SST модели Ментера. Численные расчеты будут выполнены с использованием CFD-пакета Fluent. Предварительные данные, полученные авторами проекта, показали возможность десятикратного снижения эмиссии оксидов азота при сжигании жидких углеводородов в струе перегретого пара. В развитие проведенных исследований необходимо получить данные о зависимостях от режимных параметров и конструктивных особенностей используемых горелочных устройств в диапазоне 10-50 кВт. Решение актуальной задачи, поставленной в проекте, даст научное обоснование нового способа экологически безопасной утилизации некондиционных жидких углеводородных топлив и производственных отходов при сжигании в оригинальных горелочных устройствах с производством тепловой энергии.
Научная новизна поставленной задачи обусловлена как новизной конкретного объекта исследования (процессы диспергирования, тепломассообмена и горения жидких углеводородов в высокоскоростной струе водяного пара), так и новизной результатов, планируемых к получению на основе передовых экспериментальных и численных методов и создающих основу для развития новых направлений исследований в рамках механики многофазных реагирующих потоков и теплофизики. Высококвалифицированный коллектив исполнителей обладает значительным опытом и научным заделом по теме проекта. Предлагаемые в проекте научные исследования процессов горения жидких углеводородов будут обладать приоритетом и позволят получить новые научные результаты мирового уровня, которые внесут вклад в развитие представлений о закономерностях изучаемых процессов и в создание научных основ разработки перспективных теплоэнергетических технологий. Результаты исследований будут использованы при подготовке кандидатской и докторской диссертаций участников проекта.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ